Aristocratie élémentaire

Chaque ligne du tableau périodique se termine à la fin. Il y a un peu plus de cent ans, leur existence n'était même pas supposée. Puis ils ont étonné le monde avec leurs propriétés chimiques, ou plutôt leur absence. Même plus tard, ils se sont avérés être une conséquence logique des lois de la nature. gaz nobles.

Au fil du temps, ils "sont entrés en action" et, dans la seconde moitié du siècle dernier, ils ont commencé à être associés à des éléments moins nobles. Commençons l'histoire de la haute société élémentaire comme ceci :

Il y a longtemps…

… Il y avait un seigneur.

Lord Henry Cavendish (1731-1810) dans un vieux croquis.

Henri Cavendish il appartenait à la plus haute aristocratie britannique, mais il était intéressé à apprendre les secrets de la nature. En 1766, il découvrit l'hydrogène, et dix-neuf ans plus tard, il mena une expérience dans laquelle il put trouver un autre élément. Il voulait savoir si l'air contenait d'autres composants en plus de l'oxygène et de l'azote déjà connus. Il a rempli d'air un tube de verre courbé, a plongé ses extrémités dans des récipients à mercure et a fait passer des décharges électriques entre eux. Les étincelles ont provoqué la combinaison de l'azote avec l'oxygène et les composés acides résultants ont été absorbés par la solution alcaline. En l'absence d'oxygène, Cavendish l'a introduit dans le tube et a poursuivi l'expérience jusqu'à ce que tout l'azote soit éliminé. L'expérience a duré plusieurs semaines, pendant lesquelles le volume de gaz dans la conduite diminuait constamment. Une fois l'azote épuisé, Cavendish a retiré l'oxygène et a constaté que la bulle existait toujours, ce qu'il a estimé être ¹/₁₂₀ volume d'air initial. Le Seigneur n'a pas demandé la nature des résidus, considérant l'effet comme une erreur d'expérience. Aujourd'hui, nous savons qu'il était très proche de l'ouverture argon, mais il a fallu plus d'un siècle pour achever l'expérience.

mystère solaire

Les éclipses solaires ont toujours attiré l'attention des gens ordinaires et des scientifiques. Le 18 août 1868, les astronomes observant ce phénomène utilisent pour la première fois un spectroscope (conçu il y a moins de dix ans) pour étudier les proéminences solaires, bien visibles avec un disque noirci. français Pierre Janssen il prouva ainsi que la couronne solaire se composait principalement d'hydrogène et d'autres éléments de la terre. Mais le lendemain, observant à nouveau le Soleil, il remarqua une raie spectrale précédemment non décrite située près de la raie jaune caractéristique du sodium. Janssen n'a pu l'attribuer à aucun élément connu à l'époque. La même observation a été faite par un astronome anglais casier normand. Les scientifiques ont émis diverses hypothèses sur la mystérieuse composante de notre étoile. Lockyer l'a nommé laser à haute énergie, au nom du dieu grec du soleil - Hélios. Cependant, la plupart des scientifiques pensaient que la raie jaune qu'ils voyaient faisait partie du spectre de l'hydrogène aux températures extrêmement élevées de l'étoile. En 1881, un physicien et météorologue italien Luigi Palmieri étudié les gaz volcaniques du Vésuve à l'aide d'un spectroscope. Dans leur spectre, il a trouvé une bande jaune attribuée à l'hélium. Cependant, Palmieri a vaguement décrit les résultats de ses expériences et d'autres scientifiques ne les ont pas confirmés. On sait maintenant que l'hélium se trouve dans les gaz volcaniques, et l'Italie a peut-être été la première à observer le spectre de l'hélium terrestre.

Illustration de 1901 montrant l'appareil pour l'expérience Cavendish

Ouverture à la troisième décimale

Au début de la dernière décennie du XNUMXe siècle, le physicien anglais Seigneur Rayleigh (John William Strutt) a décidé de déterminer avec précision les densités de divers gaz, ce qui a également permis de déterminer avec précision les masses atomiques de leurs éléments. Rayleigh était un expérimentateur diligent, il a donc obtenu des gaz à partir d'une grande variété de sources afin de détecter les impuretés qui falsifieraient les résultats. Il a réussi à réduire l'erreur de détermination à des centièmes de pour cent, ce qui à l'époque était très faible. Les gaz analysés ont montré une conformité avec la densité déterminée dans l'erreur de mesure. Cela n'a surpris personne, car la composition des composés chimiques ne dépend pas de leur origine. L'exception était l'azote - seulement il avait une densité différente selon la méthode de production. Azote atmosphérique (obtenu à partir de l'air après séparation de l'oxygène, de la vapeur d'eau et du dioxyde de carbone) a toujours été plus lourd que produit chimique (obtenu par décomposition de ses composés). Curieusement, la différence était constante et s'élevait à environ 0,1 %. Rayleigh, incapable d'expliquer ce phénomène, se tourna vers d'autres scientifiques.

Aide offerte par un chimiste Guillaume Ramsay. Les deux scientifiques ont conclu que la seule explication était la présence d'un mélange d'un gaz plus lourd dans l'azote obtenu à partir de l'air. Lorsqu'ils sont tombés sur la description de l'expérience Cavendish, ils ont senti qu'ils étaient sur la bonne voie. Ils ont répété l'expérience, cette fois en utilisant un équipement moderne, et bientôt ils ont eu un échantillon d'un gaz inconnu en leur possession. L'analyse spectroscopique a montré qu'il existe séparément des substances connues, et d'autres études ont montré qu'il existe sous forme d'atomes séparés. Jusqu'à présent, de tels gaz n'étaient pas connus (nous avons O₂, N₂H₂), cela signifiait donc également ouvrir un nouvel élément. Rayleigh et Ramsay ont essayé de le faire argon (grec = paresseux) pour réagir avec d'autres substances, mais en vain. Pour déterminer la température de sa condensation, ils se sont tournés vers la seule personne au monde à cette époque qui possédait l'appareil approprié. C'était Karol Olszewski, professeur de chimie à l'Université Jagellonne. Olshevsky a liquéfié et solidifié l'argon et a également déterminé ses autres paramètres physiques.

Le rapport de Rayleigh et Ramsay en août 1894 provoqua une grande résonance. Les scientifiques ne pouvaient pas croire que des générations de chercheurs avaient négligé le composant 1% de l'air, qui est présent sur Terre en quantité bien supérieure à, par exemple, l'argent. Des tests effectués par d'autres ont confirmé l'existence de l'argon. La découverte était à juste titre considérée comme une grande réussite et le triomphe d'une expérience minutieuse (on disait que le nouvel élément était caché à la troisième décimale). Cependant, personne ne s'attendait à ce qu'il y ait...

… Toute une famille de gaz.

Groupe hélium (numéro atomique en haut, masse atomique en bas).

Avant même que l'atmosphère n'ait été analysée en profondeur, un an plus tard, Ramsay s'est intéressé à un article d'une revue géologique qui rapportait la libération de gaz à partir de minerais d'uranium lorsqu'ils étaient exposés à de l'acide. Ramsay a essayé à nouveau, a examiné le gaz résultant avec un spectroscope et a vu des raies spectrales inconnues. Consultation avec William Crooks, spécialiste de la spectroscopie, a conduit à la conclusion qu'elle était depuis longtemps recherchée sur Terre laser à haute énergie. On sait maintenant qu'il s'agit d'un des produits de désintégration de l'uranium et du thorium, contenus dans les minerais d'éléments radioactifs naturels. Ramsay a de nouveau demandé à Olszewski de liquéfier le nouveau gaz. Cependant, cette fois, l'équipement n'était pas capable d'atteindre des températures suffisamment basses et l'hélium liquide n'a été obtenu qu'en 1908.

L'hélium s'est également avéré être un gaz monoatomique et inactif, comme l'argon. Les propriétés des deux éléments ne rentraient dans aucune famille du tableau périodique et il a été décidé de créer un groupe distinct pour eux. [helowce_uklad] Ramsay est arrivé à la conclusion qu'il y avait des lacunes, et avec son collègue Morrisem Traversem commencé d'autres recherches. En distillant de l'air liquide, les chimistes ont découvert trois autres gaz en 1898 : néon (gr. = nouveau), krypton (gr. = skryty) i xénon (grec = étranger). Tous, ainsi que l'hélium, sont présents dans l'air en quantités minimes, bien inférieures à l'argon. La passivité chimique des nouveaux éléments a incité les chercheurs à leur donner un nom commun. gaz nobles. 

Après des tentatives infructueuses de séparation de l'air, un autre hélium a été découvert comme produit de transformations radioactives. En 1900 Frédéric Dorn раз André-Louis Debirn ils ont remarqué la libération de gaz (émanation, comme ils disaient alors) du radium, qu'ils ont appelé radon. On s'est vite aperçu que les émanations émettaient également du thorium et de l'actinium (thoron et actinon). Ramsay et Frédérick Soddy prouvé qu'ils sont un élément et sont le prochain gaz noble qu'ils ont nommé niton (latin = briller parce que les échantillons de gaz brillaient dans le noir). En 1923, le nithon est finalement devenu le radon, du nom de l'isotope ayant la plus longue durée de vie.

La dernière des installations d'hélium qui ferment le véritable tableau périodique a été obtenue en 2006 au laboratoire nucléaire russe de Dubna. Le nom, approuvé seulement dix ans plus tard, Oganesson, en l'honneur du physicien nucléaire russe Yuri Oganesyan. La seule chose connue sur le nouvel élément est qu'il est le plus lourd connu à ce jour et que seuls quelques noyaux ont été obtenus qui ont vécu moins d'une milliseconde.

Mésalliances chimiques

La croyance en la passivité chimique de l'hélium s'est effondrée en 1962 lorsque Neil Bartlet il a obtenu un composé de formule Xe [PtF₆]. La chimie des composés du xénon est aujourd'hui assez étendue : les fluorures, les oxydes et même les sels acides de cet élément sont connus. De plus, ce sont des composés permanents dans des conditions normales. Le krypton est plus léger que le xénon, forme plusieurs fluorures, tout comme le radon plus lourd (la radioactivité de ce dernier rend la recherche beaucoup plus difficile). En revanche, les trois plus légers - l'hélium, le néon et l'argon - n'ont pas de composés permanents.

Les composés chimiques des gaz nobles avec des partenaires moins nobles peuvent être comparés à d'anciennes mésalliances. Aujourd'hui, ce concept n'est plus valable, et il ne faut pas s'étonner que...

Hélicoptères, de gauche à droite : Lord Rayleigh (John William Strutt, 1842–1919), Sir William Ramsay (1852–1916) et Morris Travers (1872–1961) ; portrait de la collection de l'University College de Londres.

… les aristocrates travaillent.

L'hélium est obtenu en séparant l'air liquéfié dans les usines d'azote et d'oxygène. D'autre part, la source d'hélium est principalement le gaz naturel, dans lequel il représente jusqu'à quelques pour cent du volume (en Europe, la plus grande usine de production d'hélium opère à Surmonté, dans la voïvodie de Grande-Pologne). Leur première occupation était de briller dans des tubes lumineux. De nos jours, la publicité au néon est toujours agréable à l'œil, mais les matériaux à l'hélium sont également à la base de certains types de lasers, comme le laser à argon que l'on rencontrera chez le dentiste ou l'esthéticienne.

Vue d'artiste de la Xenon Ion Probe Dawn près de l'astéroïde Cérès.

La passivité chimique des installations à hélium est utilisée pour créer une atmosphère protectrice contre l'oxydation, par exemple lors du soudage de métaux ou d'emballages alimentaires hermétiques. Les lampes remplies d'hélium fonctionnent à une température plus élevée (c'est-à-dire qu'elles brillent plus fort) et utilisent l'électricité plus efficacement. Habituellement, l'argon est utilisé en mélange avec de l'azote, mais le krypton et le xénon donnent des résultats encore meilleurs. La dernière utilisation du xénon est comme matériau de propulsion dans la propulsion des fusées ioniques, qui est plus efficace que la propulsion par propulseur chimique. L'hélium le plus léger est rempli de ballons météo et de ballons pour enfants. En mélange avec de l'oxygène, l'hélium est utilisé par les plongeurs pour travailler à de grandes profondeurs, ce qui permet d'éviter les accidents de décompression. L'application la plus importante de l'hélium est d'atteindre les basses températures nécessaires au fonctionnement des supraconducteurs.

Le mélange oxygène-hélium assure une plongée en toute sécurité.